• Prijevod

Death of the Battery: Svi smo vidjeli da se to dogodilo. Kod telefona, prijenosnih računala, kamera, a sada i električnih automobila, proces je bolan i - ako imate sreće - spor. Tijekom godina, litij-ionska baterija koja je nekoć satima (pa čak i danima!) napajala vaše uređaje postupno gubi sposobnost zadržavanja napunjenosti. Na kraju ćete se pomiriti s tim, možda opsovati Stevea Jobsa, a onda kupiti novu bateriju, ili čak i novi gadget.

Ali zašto se to događa? Što se događa u bateriji što uzrokuje njeno pražnjenje? Kratak odgovor je da zbog oštećenja uzrokovanog dugotrajnim izlaganjem visokim temperaturama i velikom broju ciklusa punjenja i pražnjenja, kretanje litijevih iona između elektroda na kraju se počinje prekidati.

Detaljniji odgovor koji nas vodi kroz neželjene kemijske reakcije, koroziju, prijetnju visokim temperaturama i druge čimbenike koji utječu na performanse počinje objašnjenjem što se događa u litij-ionskim baterijama kada sve radi dobro.

Uvod u litij-ionske baterije

U običnoj litij-ionskoj bateriji pronaći ćemo katodu (ili negativnu elektrodu) izrađenu od litijevih oksida, poput litij-kobalt-oksida. Također ćemo pronaći anodu ili pozitivnu elektrodu, koja se danas obično izrađuje od grafita. Tanki porozni separator drži dvije elektrode razdvojene kako bi spriječio kratke spojeve. I elektrolit napravljen od organskih otapala na bazi litijevih soli, koji omogućuje kretanje litijevih iona unutar ćelije.

Tijekom punjenja električna struja pomiče litijeve ione s katode na anodu. Tijekom pražnjenja (drugim riječima, kada se baterija koristi), ioni se kreću natrag prema katodi.

Daniel Abraham, znanstvenik iz Nacionalnog laboratorija Argonne koji provodi istraživanje razgradnje litij-ionskih ćelija, usporedio je proces s vodom u hidroenergetskom sustavu. Voda koja se kreće prema gore zahtijeva energiju, ali vrlo lako teče prema dolje. Zapravo, daje kinetičku energiju, kaže Abraham, na sličan način na koji litij kobalt oksid u katodi "ne želi odustati od svog litija". Poput vode koja se kreće prema gore, potrebna je energija za pomicanje atoma litija iz oksida u anodu.

Tijekom punjenja ioni se nalaze između listova grafita koji čine anodu. Ali, kao što Abraham kaže, "oni ne žele biti tamo; prvom prilikom koju dobiju vratit će se", poput vode koja teče niz brdo. Ovo je detant. Dugotrajna baterija će izdržati nekoliko tisuća takvih ciklusa punjenja i pražnjenja.

Kada je prazna baterija stvarno prazna?

Kada govorimo o praznoj bateriji, važno je razumjeti dvije metrike performansi: energiju i snagu. U nekim je slučajevima vrlo važna brzina kojom možete crpiti energiju iz baterije. Ovo je moć. U električnim vozilima velika snaga omogućuje brzo ubrzanje, kao i kočenje, što zahtijeva punjenje baterije u roku od nekoliko sekundi.

S druge strane, u mobitelima je velika snaga manje važna od kapaciteta, odnosno količine energije koju baterija može držati. Baterije visokog kapaciteta traju dulje s jednim punjenjem.

Tijekom vremena, baterija se smanjuje na nekoliko načina koji mogu utjecati i na kapacitet i na snagu, sve dok na kraju jednostavno ne može obavljati osnovne funkcije.

Zamislite to u drugoj analogiji s vodom: punjenje baterije je poput punjenja kante vodom iz slavine. Zapremina kante predstavlja kapacitet baterije, odnosno kapacitet. Brzina kojom ga možete napuniti - okretanjem slavine do kraja ili na kapaljku - je snaga. Ali vrijeme, visoke temperature, višestruki ciklusi i drugi čimbenici na kraju stvaraju rupu u kanti.

U analogiji s kantom, voda istječe. U bateriji su litijevi ioni uklonjeni ili "vezani", kaže Abraham. Kao rezultat toga, oni su lišeni mogućnosti kretanja između elektroda. Dakle, nakon nekoliko mjeseci, mobilni telefon koji je prvotno zahtijevao punjenje jednom svakih nekoliko dana sada treba puniti svaka 24 sata. Zatim dva puta dnevno. Naposljetku, previše litijevih iona će postati "vezano" i baterija neće držati nikakav koristan naboj. Kanta će prestati zadržavati vodu.

Što se kvari i zašto

Aktivni dio katode (izvor litijevih iona u bateriji) dizajniran je sa specifičnom atomskom strukturom kako bi se osigurala stabilnost i performanse. Kako se ioni kreću prema anodi i zatim natrag prema katodi, idealno bi bilo da se vrate na svoje izvorno mjesto kako bi održali stabilnu kristalnu strukturu.

Problem je u tome što se kristalna struktura može promijeniti sa svakim punjenjem i pražnjenjem. Ioni iz stana A neće se nužno vratiti kući, ali se mogu preseliti u susjedni stan B. Tada ion iz stana B nalazi svoje mjesto zauzeto ovom skitnicom i, bez sukoba, odlučuje se preseliti dalje niz hodnik. I tako dalje.

Postupno, ti "fazni prijelazi" u tvari pretvaraju katodu u novu kristalnu kristalnu strukturu s različitim elektrokemijskim svojstvima. Točan raspored atoma koji inicijalno proizvodi potrebne promjene performansi.

U hibridnim automobilskim baterijama, koje su potrebne samo za opskrbu energijom kada vozilo ubrzava ili koči, napominje Abraham, te se strukturne promjene događaju mnogo sporije nego u električnim vozilima. To je zbog činjenice da se u svakom ciklusu samo mali dio litijevih iona kreće kroz sustav. Zbog toga im je lakše vratiti se u prvobitni položaj.

Problem korozije

Do degradacije može doći i u drugim dijelovima baterije. Svaka elektroda spojena je na kolektor struje, koji je u biti komad metala (obično bakar za anodu, aluminij za katodu) koji skuplja elektrone i pomiče ih u vanjski krug. Dakle, imamo glinu napravljenu od "aktivnog" materijala koji se zove litij kobalt oksid (koji je keramika i nije baš dobar vodič) i vezivnog materijala nalik na ljepilo nanesenog na komad metala.

Ako se vezni materijal pokvari, to će uzrokovati "ljuštenje" površine kolektora struje. Ako metal korodira, ne može učinkovito pokretati elektrone.

Korozija u bateriji može biti posljedica interakcije elektrolita i elektroda. Grafitna anoda se "lako otpušta", tj. lako “daruje” elektrone elektrolitu. To može rezultirati neželjenim premazom na površini grafita. Katoda je u međuvremenu vrlo "oksidabilna", što znači da lako prihvaća elektrone iz elektrolita, koji u nekim slučajevima mogu nagrizati aluminij kolektora struje ili stvoriti premaz na dijelovima katode, kaže Abraham.

Previše dobre stvari

Grafit, materijal koji se široko koristi za proizvodnju anoda, termodinamički je nestabilan u organskim elektrolitima. To znači da od prvog punjenja naše baterije grafit reagira s elektrolitom. Ovo stvara porozni sloj (koji se naziva sučelje čvrstog elektrolita ili SEI), koji u konačnici štiti anodu od daljnjeg napada. Ova reakcija također troši malu količinu litija. U idealnom svijetu, ova reakcija bi se dogodila jednom da bi se stvorio zaštitni sloj, i to bi bio kraj.

U stvarnosti, međutim, TEI je vrlo nestabilan branič. Dobro štiti grafit na sobnoj temperaturi, kaže Abraham, ali na visokim temperaturama ili kada napunjenost baterije padne na nulu ("duboko pražnjenje"), TEI se može djelomično otopiti u elektrolitu. Na visokim temperaturama, elektroliti također imaju tendenciju raspadanja i nuspojava se ubrzavaju.

Kada se vrate povoljni uvjeti, formirat će se još jedan zaštitni sloj, ali on će pojesti dio litija, uzrokujući iste probleme kao i propusna posuda. Morat ćemo češće puniti mobitel.

Dakle, potreban nam je TEI da zaštitimo grafitnu anodu, au ovom slučaju stvarno može biti previše dobrih stvari. Ako zaštitni sloj postane predebeo, postaje prepreka ionima litija, koji se moraju slobodno kretati naprijed-natrag. To utječe na snagu, za koju Abraham naglašava da je "iznimno važna" za električna vozila.

Stvaranje boljih baterija

Dakle, što možemo učiniti da produžimo vijek trajanja naših baterija? Istraživači u laboratorijima traže dodatke elektrolita koji djeluju poput vitamina u našoj prehrani, tj. omogućit će baterijama da rade bolje i duže traju smanjenjem štetnih reakcija između elektroda i elektrolita, kaže Abraham. Također traže nove, stabilnije kristalne strukture za elektrode, kao i stabilnija veziva i elektrolite.

U međuvremenu, inženjeri u tvrtkama za baterije i električna vozila rade na kućištima i sustavima upravljanja toplinom u pokušaju da litij-ionske baterije održe u stalnom, zdravom temperaturnom rasponu. Nama, kao potrošačima, preostaje izbjegavati ekstremne temperature i duboka pražnjenja, i dalje gunđati oko baterija koje uvijek izgleda prebrzo crknu.

Prvi pokusi stvaranja litijevih galvanskih članaka zabilježeni su davne 1012. godine. Uistinu radni model stvoren je 1940. godine, prvi proizvodni primjerci (nepunjivi!) pojavili su se 70-ih, a pobjedonosni marš ove vrste baterija započeo je ranih 90-ih, kada je japanska tvrtka Sony uspjela svladati svoju reklamu proizvodnja.

Trenutno se vjeruje da je ovo jedno od najperspektivnijih područja za stvaranje autonomnih izvora električne energije, unatoč njihovoj prilično visokoj (na sadašnjoj razini) cijeni.

Glavna prednost ovog tipa baterije je visoka gustoća energije (oko 100 W/sat po 1 kg težine) i mogućnost izvođenja velikog ciklusa punjenja/pražnjenja.

Novostvorene baterije također karakterizira tako odličan pokazatelj kao što je niska stopa samopražnjenja (samo od 3 do 5% u prvom mjesecu, s naknadnim smanjenjem ovog pokazatelja). Ovo omogućuje

I to nije sve - u usporedbi s naširoko korištenim Ni-Cd, novi sklop istih dimenzija pruža tri puta veću izvedbu s gotovo nikakvim negativnim efektom pamćenja.

Negativne karakteristike

litij-ionske baterije.

Prije svega, visoka cijena, potreba da se baterija drži u napunjenom stanju i takozvani "efekt starenja", koji se manifestira čak i kada galvanski članak nije bio u uporabi. Posljednje neugodno svojstvo očituje se stalnim smanjenjem kapaciteta, što nakon dvije godine može dovesti do potpunog kvara proizvoda.

Litijska baterija je siguran uređaj koji troši mnogo energije. Njegova glavna prednost je rad bez punjenja dugo vremena. Može raditi i na najnižim temperaturama. Zbog svoje sposobnosti skladištenja energije, litijska baterija je superiornija od drugih vrsta. Zato se njihova proizvodnja svake godine povećava. Mogu biti dva oblika: cilindrični i prizmatični.

Primjena

Naširoko se koriste u računalnoj opremi, mobilnim telefonima i drugoj opremi. Punjači litijskih baterija imaju radni napon od 4 V. Najvažnija prednost je rad u širokom temperaturnom rasponu koji se kreće od -20 °C do +60 °C. Danas postoje baterije koje mogu raditi i na temperaturama ispod -30 °C. Svake godine programeri pokušavaju povećati i pozitivne i negativne temperaturne raspone.

U početku litijeva baterija gubi oko 5% svog kapaciteta, a ta se brojka povećava svaki mjesec. Ovaj pokazatelj je bolji od ostalih predstavnika baterija. Ovisno o naponu punjenja, mogu trajati od 500 do 1000 ciklusa.

Vrste litijskih baterija

Postoje takve vrste litijevih baterija koje se nalaze u različitim područjima kućanstva i industrijskog gospodarstva:

• litij-ion - za glavno ili rezervno napajanje, transport, električne alate;
• nikal-sol - cestovni i željeznički promet;
• nikal-kadmij - brodogradnja i proizvodnja zrakoplova;
• željezo-nikal - napajanje;
• nikal-vodik - prostor;
• nikal-cink - kamere;
• srebro-cink - vojna industrija itd.

Glavni tip su litij-ionske baterije. Koriste se u području opskrbe električnom energijom, proizvodnje električnih alata, telefona itd. Baterije mogu raditi na temperaturama od -20 ºS do +40 ºS, ali su u tijeku razvoji za povećanje tih raspona.

S naponom od samo 4 V stvara se dovoljna količina specifične topline.

Dijele se na različite podvrste, koje se razlikuju po sastavu katode. Modificira se zamjenom grafita ili dodavanjem posebnih tvari.

Litijeve baterije: uređaj

U pravilu se takvi uređaji proizvode u prizmatičnom obliku, ali postoje i modeli u cilindričnom tijelu. Unutarnji dio sastoji se od elektroda ili separatora. Za izradu tijela koristi se čelik ili aluminij. Kontakti izlaze na poklopac baterije i moraju biti izolirani. Prizmatične baterije sadrže određeni broj ploča. Složeni su jedan na drugi. Za dodatnu sigurnost litijska baterija ima poseban uređaj. Nalazi se unutra i služi za kontrolu procesa rada.

U slučaju opasnih situacija uređaj isključuje bateriju. Osim toga, oprema ima vanjsku zaštitu. Kućište je potpuno zabrtvljeno, tako da nema curenja elektrolita, kao ni ulaska vode unutra. Električni naboj pojavljuje se zbog litijevih iona koji su u interakciji s kristalnom rešetkom drugih elemenata.

Odvijač s litijskom baterijom

Može primiti tri vrste baterija koje se razlikuju po sastavu katode:

• kobalt-litij;
• litijev ferofosfat;
• litij mangan.

Odvijač s litijskom baterijom razlikuje se od ostalih po niskoj razini samopražnjenja. Još jedna važna prednost je što ne zahtijeva održavanje. Ako se litijska baterija pokvari, možete je baciti jer ne šteti ljudima niti okolišu. Jedini nedostatak je nisko punjenje litijevih baterija, kao i visoki sigurnosni zahtjevi. Teško ga je puniti na temperaturama ispod nule.

Glavne značajke

Rad odvijača, stanje njegove snage i vrijeme mogućeg rada ovise o tehničkim karakteristikama. Ostali tehnički pokazatelji uključuju:

• napon jedne baterije u uređaju može biti od 3 do 5 V;
• indikator maksimalnog intenziteta energije doseže 400 Wh / l;
• gubitak vlastitog naboja za 5%, a tijekom vremena za 20%;
• složen način punjenja;
• Baterija se potpuno napuni za 2 sata;
• otpor od 5 do 15 mOhm/Ah;
• broj ciklusa - 1000 puta;
• radni vijek - od 3 do 5 godina;
• korištenje različitih vrsta struje za određene kapacitete baterija, na primjer, kapacitet od 65 ºS - koristi se istosmjerna struja.

Proizvodnja

Većina proizvođača nastoji električne alate učiniti naprednijima i zadovoljiti moderne tehnologije.

Da biste to učinili, potrebno je osigurati dobre baterije u dizajnu. Najpopularnije proizvodne tvrtke su:

1. Tvrtka Bosh. Litijska baterija proizvedena je pomoću nove ECP tehnologije. Ona je ta koja kontrolira pražnjenje uređaja. Još jedno korisno svojstvo je zaštita od pregrijavanja. Pri velikoj snazi, poseban uređaj snižava temperaturu. Dizajn baterije ima rupe koje služe za ventilaciju i hlade bateriju. Druga tehnologija je Charge zahvaljujući kojoj je punjenje mnogo brže. Osim toga, Bosh proizvodi baterije za razne električne alate. Mnogi korisnici ostavljaju dobre recenzije o ovoj tvrtki.
2. Tvrtka Makita. Proizvodi vlastite mikrosklopove koji kontroliraju sve radne parametre i procese u bateriji, na primjer, temperaturu, sadržaj napunjenosti. Zahvaljujući tome, možete odabrati način punjenja i vrijeme punjenja. Takvi mikro krugovi povećavaju vijek trajanja. Baterije su proizvedene s prilično snažnim kućištem, tako da nisu podložne mehaničkom naprezanju.
3. Tvrtka Hitachi. Zahvaljujući najnovijoj tehnologiji, težina i ukupne dimenzije baterije su smanjene. Zbog toga električni alati postaju lagani i mobilni.

Značajke rada

Kada koristite bateriju, morate se pridržavati sljedećih pravila:

1. Nema potrebe koristiti litijevu bateriju za pojedinačne nezaštićene elemente i kupovati jeftine kineske dijelove. Takav uređaj neće biti siguran, jer neće postojati sustav koji štiti od kratkih spojeva i povišenih temperatura. Odnosno, ako se baterija znatno pregrije, može eksplodirati i njezin vijek trajanja bit će znatno kraći.
2. Nemojte zagrijavati bateriju. Kako se temperatura unutar uređaja povećava, tlak raste. Ove radnje će dovesti do eksplozije. Stoga nema potrebe otvarati gornji poklopac baterije i stavljati je na mjesta izložena sunčevoj svjetlosti. Takve radnje će skratiti vijek trajanja.
3. Ne približavajte dodatne izvore električne energije kontaktima na vrhu poklopca jer može doći do kratkog spoja. Ugrađeni zaštitni sustavi neće uvijek pomoći u ovom pitanju.
4. Baterija se mora puniti u skladu sa svim pravilima. Prilikom punjenja trebali biste koristiti one koji ravnomjerno raspoređuju struju.
5. Postupak punjenja baterije provodi se na pozitivnoj temperaturi.
6. Ako postoji potreba za spajanjem nekoliko litijevih baterija, tada morate koristiti modele istog proizvođača i slične tehničke karakteristike.
7. Litijske baterije treba čuvati na suhom mjestu koje nije izloženo sunčevoj svjetlosti s temperaturama višim od 5ºC. Kada je oprema izložena visokim temperaturama, napunjenost će se smanjiti. Prije skladištenja tijekom zime baterija se puni do 50% kapaciteta. Morate paziti da baterija nije potpuno ispražnjena. Ako se to dogodi, odmah ga napunite. Ako se na tijelu pojave mehanička oštećenja, kao i znakovi hrđe, uređaj se ne može koristiti.
8. Ako tijekom rada dođe do značajnog pregrijavanja baterije ili pojave dima, trebali biste je odmah prestati koristiti. Nakon toga premjestite oštećeni uređaj na sigurno mjesto. Ako se tvar oslobodi iz tijela, mora se spriječiti da dođe u dodir s kožom ili drugim organima.
9. Nemojte bacati niti spaljivati ​​litijske baterije. Do njihovog zbrinjavanja dolazi u slučaju mehaničkog oštećenja kućišta, eksplozije ili ulaska vode ili pare.

O vatri

Ako dođe do požara u litijskoj bateriji, ne može se ugasiti vodom i aparatom za gašenje požara – ugljični dioksid i voda mogu reagirati s litijem. Za gašenje treba koristiti pijesak, sol, a također i gustu krpu.

Proces punjenja

Litijska baterija, čiji je punjač spojen na istosmjernu struju, puni se na naponu od 5 V i više.

Postoji nedostatak - nisu otporni na prekomjerno punjenje. Povećanje temperature unutar kućišta dovodi do oštećenja.

Upute za uporabu označavaju posebnu razinu. Kada se dostigne, treba ga naplatiti. Ako povećate napon punjenja, svojstva litijske baterije značajno će se smanjiti.

Kao što je ranije rečeno, vijek trajanja baterije je 3 godine. Kako biste održali to razdoblje, morate se pridržavati uvjeta rada, punjenja i skladištenja. Osim toga, moraju biti trajno funkcionalni i ne smiju se skladištiti.

Precijeniti

Dizajn baterije uključuje sustav punjenja, tako da ne morate odspajati punjač i ne bojati se da će sastav iznutra prokuhati, kao što se događa s automobilskim baterijama.

Ako se oprema skladišti dulje od mjesec dana, mora se potpuno isprazniti. To će značajno produljiti vijek trajanja.

Cijena

Cijena litij-ionske baterije ovisi o kapacitetu i tehničkim karakteristikama.

U prosjeku varira od 100 do 500 rubalja. Unatoč ovoj cijeni, mnogi korisnici ostavljaju pozitivne recenzije. Među pozitivnim aspektima su širok raspon radnih temperatura, velika snaga i mogućnost rada više od 1000 ciklusa (oko 3 godine intenzivne uporabe). Uređaji se široko koriste u raznim područjima, tako da svatko može cijeniti njihove prednosti.

Dakle, saznali smo što su litijeve baterije.

Većina modernih elektroničkih uređaja, poput prijenosnog računala, telefona ili playera, opremljeni su litij-ionskim baterijama koje djeluju kao autonomni izvori energije. Ove ionske baterije razvijene su relativno nedavno, ali su zbog svojih karakteristika stekle veliku popularnost među dizajnerima i proizvođačima gadgeta. Sada, pored raznih kućanskih aparata, mnogi alati za završnu obradu i popravak, odvijači ili strojevi za rezanje opremljeni su takvim izvorima energije. Ovaj članak govori o vrstama litij-ionskih baterija, njihovom području primjene i principima rada.

Vrste litij-ionskih baterija

Punjive baterije, koje rade na principu pohranjivanja energije i njezine distribucije do potrošenog uređaja, dolaze u nekoliko vrsta koje se mogu spojiti u jednu litij-ionsku jedinicu. Ove baterije uključuju:

1. Litij kobalt baterija. Takav uređaj sastoji se od grafitne anode i katode od kobalt-oksida. Katoda ima pločastu strukturu s razmacima između dijelova, tako da kada se troši energija, litijevi ioni se dovode na ploče s anode, dolazi do elektromagnetske reakcije i napona se primjenjuje na stezaljke. Nedostatak ovakvog sustava je slaba otpornost mehanizma na temperaturne promjene, jer se pri negativnim temperaturama baterija prazni čak i ako nije spojena na potrošač. Tijekom punjenja proizvoda mijenja se smjer struje, a litijevi ioni teku kroz katode prema anodama, nakupljaju se i napon raste. Strogo je zabranjeno spajanje punjača na bateriju čiji je nazivni napon veći od napona dijela, inače se baterija može pregrijati, ploče će se rastopiti, a kućište će puknuti;
2. Litij manganska baterija. Također vrijedi i za litij-ionske baterije čiji je radni medij izrađen od manganskog spinela u obliku trodimenzionalnih tunela u obliku križa. Za razliku od kobaltnog sustava, ova vrsta baze osigurava nesmetan prolaz litijevih iona od anode do katode i zatim do kontakata uređaja. Glavna prednost litij-ionske manganske baterije je mali otpor materijala, pa se takve baterije često koriste za hibridna vozila, alate koji troše veliku količinu struje ili u medicinskoj opremi koja radi autonomno. Baterija se tijekom punjenja može zagrijati do 80 stupnjeva, a nazivna struja može biti do 20-30 Ampera. Ne preporučuje se izlaganje baterije strujnom naponu većem od 50A dulje od dvije sekunde, inače se spineli mogu pregrijati i pokvariti;

1. Litij-ionske baterije sa željezno-fosfatnom katodom. Takva baterija je rijetka zbog relativno visoke cijene proizvodnje, njena konačna cijena je nešto viša od ostalih litij-ionskih baterija. Fosfatna katoda ima veliku prednost: ima životni vijek proizvoda i učestalost punjenja koja je znatno bolja od sličnih uređaja. Najčešće ove baterije imaju jamstvo od 10 do 50 godina ili oko 500 ciklusa punjenja. Zbog takvih pokazatelja, baterije s željeznim fosfatom često se koriste u industriji kada je potrebno dobiti visoki izlazni napon;
2. Litij nikal mangan kobalt oksid ionske baterije. Ovo je najpraktičnija, s gledišta troškova proizvodnje i pouzdanosti gotovog proizvoda, kombinacija materijala za izradu katode. Zbog elektrokemijskih svojstava navedenih tvari, katoda izrađena od njih ima niske vrijednosti otpora, pa će tijekom dugih razdoblja neaktivnosti baterije pražnjenje biti minimalno. Također, povećanjem veličine staklene ili katodne ćelije možete povećati ukupni kapacitet baterije ili povećati napon. Tajna je u spoju mangana i nikla, koji pravilnom kombinacijom stvara lanac visokih elektrokemijskih svojstava;
3. Baterija litij titanat. Razvijen početkom 1980-ih, za razliku od ionskih baterija s grafitnom jezgrom, katoda ovog uređaja izrađena je od nanokristala litij-titanata. Katoda izrađena od ovog materijala omogućuje ponovno punjenje baterije u kratkom vremenskom razdoblju i održava napon s nultim otporom. Ova jedinica se često koristi u autonomnim sustavima ulične rasvjete, kada je potrebno akumulirati energiju u kratkom vremenskom razdoblju i distribuirati ga potrošaču dugo vremena. Nedostatak takvog sustava je relativno visoka cijena gotove baterije, ali se brzo isplati zbog povećanog vijeka trajanja dijela.

Važno! Sve navedene litij-ionske baterije su baterije koje se ne održavaju, pa u slučaju oštećenja ili kvara neće biti moguće izvršiti popravak ili servis za dolijevanje elektrolita. Bilo kakve manipulacije za otvaranje poklopca baterije dovest će do uništenja ploča baterije i potpunog kvara.

Princip rada litij-ionskih baterija

Sve litij-ionske baterije imaju sličnu strukturu, koja ima nekoliko manjih razlika koje ne utječu na princip rada dijela. Vanjski omotač je izrađen od kompozitnog materijala, plastike ili tankog obojenog metala, što je vrlo rijetko. Najčešće se baterija sastoji od plastičnog kućišta, metalnih priključaka za kontakt s potrošačem i unutarnjih šipki s pozitivnim i negativnim naponom. Unutarnji litij se puni spajanjem vanjskog uređaja sa stabilnom strujom, ali svaki proizvod ima primarni naboj, koji nastaje zbog kemijske reakcije između anode i katode.

Procesi na negativnoj elektrodi, napravljenoj od ugljičnog materijala, koji ima izgled prirodnog slojevitog grafita, su nasumični; električki nabijeni atomi kreću se kroz matricu bez gubitka napona. Svi pokazatelji u ovom sektoru su negativni.

Pozitivna elektroda litijeve baterije izrađena je isključivo od oksida kobalta ili nikla, kao i litij manganskih spinela. Tijekom pražnjenja litijevi ioni odmiču od ugljične jezgre i nakon reakcije s kisikom prodiru kroz katodu i žurno izlaze, ali ne mogu napustiti tijelo baterije. Nabijeni litijevi ioni gube napon i ostaju na površini anode dok se litij ne napuni. Tijekom punjenja cijeli se proces odvija obrnutim redoslijedom.

Dizajn litij-ionske baterije

Poput alkalne baterije, litijeva baterija se proizvodi u cilindričnom obliku ili može biti prizmatičnog oblika. Cilindrična baterija kao jezgru koristi smotane elektrode, izolirane posebnim omotačem i smještene u metalno kućište, koje je povezano s negativno nabijenim elementima. Da bi se održao polaritet, negativni kontakt nalazi se na dnu, a pozitivni kontakt je na vrhu dijela, a ti se elementi ne bi trebali dodirivati, inače će struja cirkulirati kroz vodič, što će dovesti do spontanog pražnjenja.

Prizmatični oblik litij-ionske baterije prilično je uobičajen. U ovom dizajnu, jezgra se formira slaganjem posebnih ploča jedna na drugu, koje se nalaze na minimalnoj udaljenosti jedna od druge. Ovaj sustav omogućuje veću tehničku izvedbu, ali zbog tijesnog prianjanja ploča dok se baterije pune, jezgra se može pregrijati i mreža će se rastopiti, što dovodi do smanjenja produktivnosti dijelova.

Često možete pronaći kombinirani sustav uređaja s litij-ionskom baterijom, gdje se elektrode smotaju u rolu i oblikuju u ovalni cilindar. U ovom slučaju poštuju se pravila glatkog prijelaza, au isto vrijeme ravni dio oponaša oblik ploče. Takve baterije imaju karakteristike obje vrste proizvoda, vijek trajanja im je puno duži.

Tijekom kemijske reakcije i rada baterije unutar kućišta se stvaraju plinovi koji sadrže štetne tvari. Za brzo uklanjanje tih para, kod litij-ionskih baterija postoji izlaz koji je spojen na banke i trenutno uklanja nakupljeni plin iz šupljine baterije. Neke baterije velike snage opremljene su posebnim ventilom koji se aktivira tijekom kritičnog nakupljanja pare.

Provjera litij-ionske baterije

Napunjenosti litija unutar baterije zahtijevaju povremenu provjeru, unatoč činjenici da se navedena baterija smatra bez održavanja, budući da je njezino kućište zapečaćeno, bateriju i dalje treba provjeriti posebnim uređajem.

Pregled uvijek počinje vanjskim pregledom, tijekom kojeg se tijelo dijela provjerava na pukotine i deformacije. Priključci akumulatora također se pregledavaju i čiste od oksidacije i drugih onečišćenja.

Važno! Potrebno je održavati bateriju čistom, izbjegavajući kratko spajanje kontakata, jer to može dovesti do potpunog pražnjenja baterije, što će biti vrlo problematično vratiti.

Za provjeru unutarnjeg stanja jezgre koristi se utikač za opterećenje koji se spaja na stezaljke i mjeri nazivni napon u mreži. Zatim se baterija isprazni, a uređaj očitava indikatore zadržavanja struje unutar dijela. Važno je napomenuti da baterija mora biti potpuno napunjena u vrijeme testiranja, inače će očitanja biti netočna.

Primjena litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije koriste se u mnogim primjenama ovisno o njihovoj konfiguraciji, obliku i nazivnom naponu. Najčešća uporaba baterija je u automobilskoj industriji; svako vozilo ima vlastiti izvor energije, koji je odgovoran za pokretanje automobila i obavljanje drugih funkcija.

Ove se baterije također koriste u mobilnim uređajima, prijenosnim računalima i drugim napravama. Dizajn takvih baterija sličan je automobilskim baterijama, jedina razlika su dimenzije proizvoda, koje mogu biti veličine kutije šibica.

U posljednje vrijeme postalo je popularno uvođenje litij-ionskih baterija u sustave neprekidnog napajanja kod kuće i kao hitne izvore električne energije, dok je baterija stalno spojena na centralnu mrežu. Dok uređaji rade, baterija se puni iz jednostavne elektrane, a kada se napajanje isključi, automatski počinje davati struju potrošaču. U tom slučaju, punjiva baterija mora biti ispravno postavljena i opremljena sustavom zaštite od pregrijavanja.

Video

Dugo je vremena kiselinska baterija bila jedini uređaj koji je mogao opskrbljivati ​​električnom strujom autonomne objekte i mehanizme. Unatoč velikoj maksimalnoj struji i minimalnom unutarnjem otporu, takve baterije imale su niz nedostataka koji su ograničavali njihovu upotrebu u uređajima koji troše velike količine električne energije ili u zatvorenim prostorima. U tom smislu, litij-ionskim baterijama nedostaju mnoge negativne kvalitete njihovih prethodnika, iako imaju nedostatke.

Sadržaj

Što je litij-ionska baterija

Prve litijeve baterije pojavile su se prije 50 godina. Takvi su proizvodi bili obična baterija u koju je ugrađena litijeva anoda kako bi se povećala razina proizvodnje električne energije. Takvi proizvodi imali su vrlo visoke karakteristike performansi, ali jedan od najozbiljnijih nedostataka bila je velika vjerojatnost paljenja litija kada se katoda pregrije. S obzirom na ovu značajku, znanstvenici su na kraju čisti element zamijenili metalnim ionima, zbog čega se sigurnost značajno povećala.

Moderne li-ion baterije su vrlo pouzdane i mogu izdržati veliki broj ciklusa punjenja i pražnjenja. Imaju minimalan memorijski učinak i relativno malu težinu. Zbog ovih svojstava, litijeve baterije imaju široku primjenu u mnogim uređajima. Proizvod se može koristiti kao baterija, u obliku baterija za kućanske aparate, a također i kao visoko učinkovit vučni izvor električne energije.

Danas takvi uređaji imaju nekoliko nedostataka:

• visoka cijena;
• ne vole duboka pražnjenja;
• može umrijeti na niskim temperaturama;
• gubi kapacitet kada se pregrije.

Kako se odvija proizvodnja litij-ionskih baterija?

Litij-ionske baterije se proizvode u nekoliko faza:

1. Proizvodnja elektroda.
2. Kombiniranje elektroda u bateriju.
3. Ugradnja zaštitne ploče.
4. Ugradnja baterije u kućište.
5. Punjenje elektrolitom.
6. Testiranje i punjenje.

U svim fazama proizvodnje moraju se poštivati ​​tehnološke i sigurnosne mjere, što u konačnici omogućuje dobivanje visokokvalitetnog proizvoda.

Litij-ionske baterije koriste foliju kao katodu na čijoj je površini taložena tvar koja sadrži litij.

Ovisno o namjeni baterije, mogu se koristiti sljedeći litijevi spojevi:

• LiCoO2;
• LiNiO2;
• LiMn2O4.

Kod proizvodnje cilindričnih izvora struje veličine AA i AAA, glavna elektroda se smota u valjak, koji je od anode odvojen separatorom. S velikom površinom katode, čiji film ima minimalnu debljinu, moguće je postići visoku energetsku intenzivnost proizvoda.

Princip rada i dizajn li-ionske baterije

Litij-ionska baterija radi na sljedeći način:

1. Kada se istosmjerna električna struja primijeni na kontakte baterije, litijevi kationi prelaze u materijal anode.
2. Tijekom procesa pražnjenja litijevi ioni napuštaju anodu i prodiru u dielektrik do dubine od 50 nm.

U “životu” litij-ionske baterije može biti do 3000 takvih ciklusa, dok baterija može isporučiti gotovo svu električnu struju akumuliranu tijekom procesa punjenja. Duboko pražnjenje ne dovodi do oksidacije ploča, po čemu se takvi proizvodi ističu u odnosu na kiselinske akumulatore.

Ne podnose sve litij-ionske baterije dobro duboko pražnjenje. Ako je takva baterija ugrađena u telefon ili fotoaparat (tip AAA), tada ako je duboko ispražnjena, upravljačka ploča blokira mogućnost punjenja baterije iz sigurnosnih razloga, tako da je neće biti moguće napuniti bez posebnog punjača . Ako je ovo vučna litijska baterija za brodski motor, tada se uopće neće bojati dubokog pražnjenja.

Za razliku od prstastih baterija, složene baterije sastoje se od nekoliko odvojenih izvora električne energije povezanih paralelno ili serijski. Način povezivanja ovisi o tome koji pokazatelj električne energije treba povećati.

Veličine i vrste Li-ion baterija

Litij-ionske baterije postale su široko rasprostranjene. Takvi izvori električne struje koriste se u raznim kućanskim uređajima, napravama, pa čak i automobilima. Osim toga, proizvode se industrijske litij-ionske baterije velikog kapaciteta i visokog napona. Najpopularnije vrste litijevih baterija su:

Ime	Promjer, mm	Duljina, mm	Kapacitet, mAh
10180	10	18	90
10280	10	28	180
10440 (AAA)	10	44	250
14250 (AA/2)	14	25	250
14500	14	50	700
15270 (CR2)	15	27	750-850
16340 (CR123A)	17	34.5	750-1500
17500(A)	17	50	1100
17670	17	67	1800
18500	18	50	1400
18650 (168A)	18	65	2200-3400
22650	22	65	2500-4000
25500 (tip C)	25	50	2500-5000
26650	26	50	2300-5000
32600 (tip D)	34	61	3000-6000

Prve dvije znamenke takvih oznaka označavaju promjer proizvoda, drugi par - duljinu. Zadnja "0" se stavlja ako su baterije cilindričnog oblika.

Osim cilindričnih baterija, industrija proizvodi baterije tipa "" s naponom od 9v i snažne industrijske baterije s naponom od 12v, 24v, 36v i 48v.

Baterija za slagač

Ovisno o elementima koji se dodaju proizvodu, kućište baterije može imati sljedeće oznake:

• ICR – koji sadrži kobalt;
• IMR - - - - mangan;
• INR - - - - nikal i mangan;
• NCR - - - - nikal i kobalt.

Litijske baterije razlikuju se ne samo po veličini i kemijskim dodacima, već prvenstveno po kapacitetu i naponu. Ova dva parametra određuju mogućnost njihove uporabe u određenim vrstama električnih uređaja.

Gdje se koriste litij-ionske baterije?

Litij-ionske baterije nemaju alternativu tamo gdje je potrebna baterija koja može isporučiti gotovo svu električnu energiju i izvesti veliki broj ciklusa punjenja/pražnjenja bez smanjenja kapaciteta. Prednost takvih uređaja je njihova relativno mala težina, jer u takvim uređajima nema potrebe za upotrebom olovnih rešetki.

S obzirom na karakteristike visokih performansi, takvi se proizvodi mogu koristiti:

1. Kao starter baterije. Litijske baterije za automobile svake su godine sve jeftinije, zahvaljujući novim dostignućima koja smanjuju troškove proizvodnje. Nažalost, cijena takvih baterija može biti vrlo visoka, pa si mnogi vlasnici automobila ne mogu priuštiti takvu bateriju. Nedostaci litij-ionskih baterija uključuju značajan pad snage na temperaturama ispod minus 20 stupnjeva, tako da će u sjevernim regijama rad takvih proizvoda biti nepraktičan.
2. Kao uređaji za vuču. Zbog činjenice da litij-ionske baterije lako podnose duboko pražnjenje, često se koriste kao vučne baterije za elektromotore brodova. Ako snaga motora nije prevelika, tada je jedno punjenje dovoljno za 5 - 6 sati neprekidnog rada, što je sasvim dovoljno za ribolov ili izlet brodom. Vučne litij-ionske baterije također se ugrađuju na različitu utovarnu opremu (električni viličari, električni viličari) koja radi u zatvorenim prostorima.
3. U kućanskim aparatima. Litij-ionske baterije koriste se u raznim kućanskim uređajima umjesto standardnih baterija. Takvi proizvodi imaju napon od 3,6 V - 3,7 V, ali postoje modeli koji mogu zamijeniti običnu solnu ili alkalnu bateriju s 1,5 V. Također možete pronaći 3v baterije (15270, ), koje se mogu ugraditi umjesto 2 standardne baterije.

Takvi se proizvodi koriste uglavnom u snažnim uređajima u kojima se konvencionalne solne baterije vrlo brzo prazne.

Vučna baterija

Pravila za korištenje litij-ionskih baterija

Na životni vijek litijske baterije utječu mnogi čimbenici, čije će poznavanje značajno povećati resurs. Kada koristite ovu vrstu baterije morate:

1. Pokušajte ne dopustiti da se baterija potpuno isprazni. Unatoč visokoj otpornosti baterije na takve utjecaje, preporučljivo je ne iscijediti sve "sokove" iz nje. Treba obratiti posebnu pažnju kada ove baterije koristite s UPS-om i električnim motorima velike snage. Ako je baterija potpuno ispražnjena, potrebno ju je odmah regenerirati, odnosno spojiti na poseban punjač. Bateriju možete pojačati čak i nakon dužeg boravka u stanju dubokog pražnjenja, za što je potrebno izvršiti kvalitetno punjenje 12 sati, a zatim isprazniti bateriju.
2. Izbjegavajte prekomjerno punjenje. Pretjerano punjenje negativno utječe na performanse proizvoda. Ugrađeni kontroler nije uvijek u mogućnosti isključiti bateriju na vrijeme, posebno kada se punjenje provodi u hladnoj sobi.

Osim prekomjernog punjenja i prekomjernog pražnjenja, bateriju treba zaštititi od prekomjernog mehaničkog opterećenja, koje može uzrokovati pad tlaka u kućištu i požar unutarnjih komponenti baterije. Iz tog razloga je zabranjeno slanje poštom baterija koje sadrže više od 1 g čistog litija.

Koristi se kao baterija za odvijače, laptope i telefone

Kako čuvati litij-ionske baterije

Ako postoji potreba za dugotrajnim skladištenjem litij-ionskih baterija, kako biste smanjili negativan utjecaj na proizvode, morate se pridržavati sljedećih preporuka:

1. Proizvod čuvajte samo na suhom i hladnom mjestu.
2. Baterija mora biti uklonjena iz električnog uređaja.
3. Baterija se mora napuniti prije skladištenja. Minimalni napon pri kojem se neće formirati unutarnji procesi korozije je 2,5 volta po 1 elementu.

S obzirom na nisko samopražnjenje takvih baterija, baterija se na ovaj način može skladištiti nekoliko godina, ali će tijekom tog razdoblja kapacitet ćelije neizbježno opasti.

Recikliranje litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije sadrže tvari koje su opasne po zdravlje i nikada se ne smiju rastavljati kod kuće. Nakon što baterija istekne svoj vijek trajanja, mora se vratiti na daljnje recikliranje. Na specijaliziranim sabirnim mjestima možete dobiti novčanu naknadu za staru litijevu bateriju, jer takvi proizvodi sadrže skupe elemente koji se mogu ponovno upotrijebiti.